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 ・発振回路のマッチングテストについて
   
 
量産前提の場合は試作時に回路マッチング調査も対応致します。
調査する内容は主に

  ① 周波数センター調整マッチング

  ② 発振余裕度

  ③ ドライブレベル


の項目です。

以下簡単ですが確認方法についての記載です。
 
① 周波数センターの確認方法  
 
周波数センターの確認については、周波数偏差の個別データ付きの振動子サンプルが必要です。実際の周波数偏差の値が分かっている振動子を用いてテストし実測値から振動子の周波数偏差を差し引きます。

 (例) 振動子のデータの値が+10ppm, 基板上での測定結果が+30ppm の場合

    → 回路マッチングでの偏差は 30ppm -10ppm = +20ppm になります。

基板上での周波数測定時には振動子の端子部分を直接10:1などのパッシブプローブでプロービングするとプローブの容量による誤差が必ず出てしまいますので 負荷の影響 の出ない測定方法が必要になります。
 
② 周発振余裕度の確認方法  

発振余裕度の確認は下図の様に振動子に直列に抵抗を加えて、徐々に値を大きくして発振が停止する直前の値を確認します。一般的な産業機器の場合はこの値が使用している振動子の等価直列抵抗値の5倍以上あることが目安です。車載用途などの場合は少なくとも10倍以上などの値が必要になります。

発振余裕度は主にマイコンの発振回路部分の周波数特性の影響が支配的です。
値が不足している場合、両端のコンデンサの値を下げていくと若干値が増えます。

発振回路の負性抵抗を確認


③ ドライブレベルの確認方法  
 
ドライブレベルの確認も等価直列抵抗値の値の分かっているデータ付き振動子が必要です。振動子への入力部分に流れる電流値(電流プローブで測定)を測定し以下の計算式で求めます。

・(電流値)^2×(水晶振動子の実効抵抗)

※振動子の負荷時抵抗=等価直列抵抗値×(1+Co/CL)^2

※ Co = 水晶振動子の並列容量  CL = 負荷容量

ざっくりとしたところでは Coは2~5pF程度(周波数や型番などによる)、負荷容量が12pF とすると、 等価直列抵抗値×(1.4~2)程度の値になります。

マッチングテストでは上記の①②③の内容を確認して、最適な回路定数を探します。

 ・実際の発振回路マッチングテスト例

・ 市販のモータ制御用のマイコンを用いてテストした例です。
 (外付け水晶振動子の推奨周波数:8.0~12.5MHz )


テストの条件    
 電圧  +5.0Vdd 
 温度  室温にて 
 サンプル数  各1pc 
  ( 上図の赤のが電流の流れる方向。Rf は無しにて )  

・テスト結果
 (A) HC-49U/S-SMD 12.500MHz を使用した場合 ( 等価直列抵抗値:45Ω以下、ドライブレベル:300uW 以下 ) 
・負荷容量=12pF の場合
- C1 コンデンサ C2 コンデンサ 外部Rf 抵抗  周波数偏差 負性抵抗 ドライブレベル  状態
1 22pF 22pF 無し  -22.96ppm  1,350Ω以上  約 338μW
2 18pF 22pF 無し  +1.28ppm  1,530Ω以上  約 264μW
3 22pF 18pF 無し  -4.88ppm  1,585Ω以上  約 248μW
4 18pF 18pF 無し  +12.56ppm  1,752Ω以上  約 240μW
・負荷容量=16pF の場合
- C1 コンデンサ C2 コンデンサ 外部Rf 抵抗  周波数偏差 負性抵抗 ライブレベル  状態
5
27pF 27pF 無し +5.04ppm  981 Ω以上  約 427μW X
6
33pF 27pF 無し  -14.24ppm  833 Ω以上  約 429μW X
7
27pF 33pF 無し  -10.0ppm  826 Ω以上  約 496μW X
8
33pF 33pF 無し  -34.72ppm  674 Ω以上  約 650μW X
 (B) HC-49U/S-SMD 10.000MHz を使用した場合 ( 等価直列抵抗値:45Ω以下、ドライブレベル:300uW 以下 ) 
 ・負荷容量=12pF の場合
- C1 コンデンサ C2 コンデンサ 外部Rf 抵抗  周波数偏差 負性抵抗 ドライブレベル  状態
1 22pF 22pF 無し  -26.0ppm  2,062Ω以上  約 246μW
2 18pF 22pF 無し  -0.40ppm  2,386Ω以上  約 199μW
3 22pF 18pF 無し  -9.2ppm  2,385Ω以上  約 186μW
4 18pF 18pF 無し  +13.4ppm  2,777Ω以上  約 178μW
・負荷容量=16pF の場合
- C1 コンデンサ C2 コンデンサ 外部Rf 抵抗  周波数偏差 <負性抵抗 ドライブレベル  状態
5 27pF 27pF 無し  -0.80ppm  1,390Ω以上  約 330μW
6 33pF 27pF 無し  -12.7ppm  1,291Ω以上  約 331μW
7 27pF 33pF 無し  -9.40ppm 1,292Ω以上  約 388μW
8 33pF 33pF 無し  -28.8ppm  1,104Ω以上  約 457μW X
 (C) HC-49U/S-SMD 8.000MHz を使用した場合 ( 等価直列抵抗値:50Ω以下、ドライブレベル:300uW 以下 ) 
 ・負荷容量=12pF の場合
- C1 コンデンサ C2 コンデンサ 外部Rf 抵抗  周波数偏差 負性抵抗 ドライブレベル  状態
1 22pF 22pF 無し  -23.37ppm 3,244Ω以上  約 248μW
2 18pF 22pF 無し -0.87ppm 3,764Ω以上  約 202μW
3 22pF 18pF 無し  -5.50ppm 3,668Ω以上  約 191μW
4 18pF 18pF 無し  +13.62ppm 4,373Ω以上  約 180μW
 ・負荷容量=16pF の場合
- C1 コンデンサ C2 コンデンサ 外部Rf 抵抗  周波数偏差 負性抵抗 ドライブレベル  状態
5 27pF 27pF 無し  +0.62ppm  2,338Ω以上  約 335μW
6 33pF 27pF 無し  -12.12ppm  1,992Ω以上  約 339μW
7 27pF 33pF 無し  -9.12ppm 2,011Ω以上  約 378μW
8 33pF 33pF 無し  -25.37ppm  1,701Ω以上  約 449μW X

※ 負荷容量=12pF の場合で、2,3,及び4 の定数にて 周波数、ドライブレベル、負性抵抗とも概ね良好な傾向。

※ 負荷容量=16pFの場合で、6~8ともドライブレベルが高く出ており、振動子規格を超えている傾向。



 発振回路のマッチングの結果は、主に以下に依存します。

  ・発振回路のアンプ素子(マイコン内の発振回路)の特性

  ・水晶振動子の周波数及び特性(抵抗値、端子間容量、直列容量など)、

  ・周辺素子(コンデンサ、抵抗)


 傾向としては以下になります。

  ・一般に、発振周波数が低い方が負性抵抗は大きくなります。

   (上記結果で、同じ負荷容量のもので周波数毎に比べて見ると分かりやすい)


  ・外付けコンデンサの値を上げると負性抵抗は減少し、ドライブレベルは増加し、周波数は下がります。


 負性抵抗(発振余裕度) の確認は非常に重要です。

 今回のマイコンでは負性抵抗が非常に大きな値を得ることが出来ていましたが、実際にはここまでの負性抵抗が

 取れないことは多々あります(周波数が高かったり、アンプの周波数特性が低いなどにより)。

 十分な負性抵抗が取れていないことも多々ありますので注意が必要です。
 
 ※ 量産時にはかならず事前にチェックされることをお勧めします。

ご注意事項等
・テスト結果はあくまでテストに使用した基板でのテスト結果です。個体差ばらつきは必ずあると考えられます。

 あくまで参考結果としてご理解ください。
・水晶振動子は同じ周波数でも型番の違いにより各パラメーター(抵抗値、端子間容量、直列容量、インダクタンス特性)が

 異なり、そのため回路マッチングの結果も異なってきます。

 評価を行う場合には実際に使用される基板と水晶振動子の組み合わせで評価をされて下さい。
・発振回路のアンプ素子(マイコン内の発振回路)の特性が大きく負性抵抗などの結果に影響します。

 マイコンの機種によって上記結果と全く異なる結果になりますので、必ず使用されるマイコンにてご確認をされて下さい。
 ・HC-49U/S 及び HC-49U/S-SMD はパッケージサイズが大きいものの、その分、等価直列抵抗値が小さい メリットがあります。

 一般により小さなパッケージの振動子では等価直列抵抗値が大きくなります。


  なお量産前提の場合は、弊社で回路マッチング調査のサービス を行っています。

 (対象は弊社の水晶振動子のみ、他社様の製品のマッチング評価は行っておりません)

 ご相談は弊社の営業窓口 までお気軽にお問い合わせ下さい。


(注) このページ内のデータ数値はあくまで目安になるものとしての値を提示しています。このデータをもとに
   弊社の関与しないところで設計等された場合に何らかのトラブルが発生したとしても一切の責任は
   負いかねますので予めご了解ください。


  → HC-49U/S (リードタイプ) の在庫リスト  

  → HC-49U/S-SMD (SMDタイプ ) の在庫リスト

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